CN110112046B - 一种半矩形环螺旋线慢波结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半矩形环螺旋线慢波结构，是毫米波段行波管放大器的部件。本发明包括屏蔽筒、介质夹持杆、置于屏蔽筒内的慢波电路；屏蔽筒与慢波电路的中心轴线重合，所述慢波电路为半矩形环螺旋线金属慢波电路。所述半矩形环螺旋线金属慢波电路，包括若干布置于中心轴线两侧、凹口相对并交替错位、尺寸相同的金属半矩形环，前一个金属半矩形环的尾端与下一个相邻的错位金属半矩形环的前端通过金属连接线连接。经三维电磁软件验证，在相同的尺寸条件下，本发明与半圆环螺旋线慢波结构相比较，具有易加工和集成的优势。在保持平坦色散的基础上，具有更高的耦合阻抗，能够满足新型微波功率源对慢波结构体积小，高功率和宽频带的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种半矩形环螺旋线慢波结构，是毫米波段行波管放大器的部件。
背景技术
作为真空电子器件最重要的一类功率放大器件，行波管由于其高功率、高增益、高效率、宽频带和长寿命的优点，在电子对抗、高速率通信和制导等领域获得广泛应用。
行波管的性能很大程度上取决于慢波结构，耦合腔和螺旋线是两类广泛应用的慢波结构，其中耦合腔慢波结构由于其全金属结构的特点，功率容量较大，但带宽较窄；螺旋线慢波结构具有平坦的色散特性和适中的耦合阻抗，基于该慢波结构的行波管可以达到倍频程的带宽，是目前宽带中等功率行波管的主流慢波结构。为提升螺旋线行波管的输出功率，研究人员提出了环杆、环圈等变形螺旋线结构。这些变形结构具有更大的耦合阻抗，但是系统的色散也变得较强，使得行波管的工作带宽明显减小。因此，寻求具有平坦色散高输出功率的新型慢波结构是行波管发展的重要方向。
半圆环螺旋线慢波结构，如图1所示，是一种可以提升行波管增益的变形螺旋线慢波结构，该结构由圆筒形金属外壳11、设置于圆筒形金属外壳11内的半圆环螺旋线金属慢波电路13以及位于圆筒形金属外壳11和半圆环螺旋线金属慢波电路13之间的一对介质夹持杆2组成。所述半圆环螺旋线金属慢波电路13由多个形状和尺寸相同的金属半圆环和金属半圆环之间的金属连接线组成，半圆环螺旋线金属慢波电路13内部则构成行波管的电子注通道。
对比传统的圆螺旋线慢波结构，半圆环螺旋线慢波结构在保留平坦色散优点的同时降低了电磁波的相速，增大了器件的电长度，提升了行波管的增益和输出功率。
半圆环螺旋线慢波结构虽然具有低相速、色散平坦的优点，是一种很有潜力的毫米波行波管慢波结构，但是该结构在加工上涉及金属曲线圆环和金属直线的连接，随着工作频率的提高，慢波结构的尺寸不断减小，而目前技术条件下圆螺旋线的工作频率被限制在V波段以下，因而半圆环螺旋线在V波段以上的精确加工将会越来越困难。更为重要的是，半圆环螺旋线慢波结构在电磁波传输方向上的电场强度仍然相对较弱，耦合阻抗较小，因此限制了该结构的应用发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种半矩形环螺旋线慢波结构，方便微细加工技术对慢波结构的精确制造，同时能够在同等尺寸条件下提高螺旋线慢波结构的耦合阻抗，进而提高行波管的增益和输出功率，以满足装备系统对该类器件在工作带宽、输出功率和体积等方面的要求。
本发明的技术方案：
一种半矩形环螺旋线慢波结构，包括屏蔽筒、介质夹持杆2、置于屏蔽筒内的慢波电路；屏蔽筒与慢波电路的中心轴线重合，所述慢波电路为半矩形环螺旋线金属慢波电路3。
所述半矩形环螺旋线金属慢波电路3，包括若干布置于中心轴线两侧、凹口相对并交替错位、尺寸相同的金属半矩形环，前一个金属半矩形环的尾端与下一个相邻的错位金属半矩形环的前端通过金属连接线连接。
所述屏蔽筒为矩形屏蔽筒。
所述介质夹持杆2对称设置于屏蔽筒内壁和半矩形环螺旋线金属慢波电路3之间。
相邻的错位金属半矩形环之间的金属连接线长度相同或逐渐加长或逐渐缩短或随机变化。
所述半矩形环螺旋线金属慢波电路3的尺寸满足关系式：0<w3<p/2，0<L<p/2，p＝2w3+2L，a<c,b<d；L为金属连接线长度，w3为线宽；p为单个周期的金属半矩形环间的周期长度；a为金属半矩形环内腔长度；c为矩形屏蔽筒1内腔长度，d为内腔宽度；b为两相邻错位的金属半矩形环内腔宽度。
经三维电磁软件验证，在相同的尺寸条件下，本发明与半圆环螺旋线慢波结构相比较，具有易加工和集成的优势，与微细加工技术相契合，可以利用MEMS等微加工技术精确批量加工。在保持平坦色散的基础上，具有更高的耦合阻抗，能够满足新型微波功率源对慢波结构体积小，高功率和宽频带的要求。与工作在相同频带的半圆环螺旋线慢波结构比较，本发明的横截面具有可变的宽高比，这使得在实际应用中可以根据需要选择圆柱状电子束或者带状电子束，而现有技术的半圆环螺旋线慢波结构只能采用圆柱状电子注工作。由于本发明具有更高的耦合阻抗，可以增大行波管的输出功率，或者在同等输出功率的前提下，可以采用更小的电子注发射电流密度或者更低的行波管的整管长度，在电子注发射电流密度降低的情况下，对聚焦磁场的要求也可以降低，因而本发明最终可以为小型化高功率行波管的实用化提供可靠的设计方案。
从图5可以看出，在中心频点50GHz处，半矩形环螺旋线的耦合阻抗为85欧姆，半圆环螺旋线的耦合阻抗为50欧姆，本发明比半圆环螺旋线慢波结构的耦合阻抗增大了70％。随着频率的提高，半矩形环螺旋线的耦合阻抗相对于半圆环螺旋线耦合阻抗的优势不断增大，即二者耦合阻抗的比值越来越大。因此，采用本发明的行波管在同等带宽条件下具有更大的增益和输出功率。
附图说明
图1是现有技术的半圆环螺旋线慢波结构的结构示意图；
图2是本发明的实施例结构示意图(局剖)；
图3是本发明实施例的半矩形环螺旋线金属慢波电路的结构示意图；
图4是本发明和半圆环螺旋线慢波结构的色散特性比较图；
图5是本发明和半圆环螺旋线慢波结构的耦合阻抗比较图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行说明。
如图2、图3所示，本发明包括横截面为矩形的屏蔽筒1、一对对称布置的介质夹持杆2、置于矩形的屏蔽筒1内的半矩形环螺旋线金属慢波电路3。矩形的屏蔽筒1和半矩形环螺旋线金属慢波电路3的中心轴线重合，一对介质夹持杆2设于矩形的屏蔽筒1内壁和半矩形环螺旋线金属慢波电路3之间，并置于半矩形环螺旋线金属慢波电路3对称的两侧。所述半矩形环螺旋线金属慢波电路3由多个形状和尺寸相同的金属半矩形环和金属半矩形环之间的金属连接线组成；半矩形环螺旋线金属慢波电路3内部所围区域是电磁波与电子束进行互作用的区域。
实施例中各尺寸，单位：mm：矩形的屏蔽筒1内腔长度c＝0.965,内腔宽度d＝0.76，波导壁厚(屏蔽筒壁厚)t1＝0.02；矩形(板状)的介质夹持杆2的相对介电常数εr为4，厚度t2＝0.36，宽度w2＝0.10；半矩形环螺旋线金属慢波电路3中金属半矩形环线宽w3＝0.06，线厚t3＝0.03，金属半矩形环内腔长度a＝0.185，两相邻错位的金属半矩形环内腔宽度b＝0.37；相邻错位的金属半矩形环间的金属连接线长度L＝0.04，线宽w3＝0.06，线厚t3＝0.03，单个周期的金属半矩形环间的周期长度p＝0.20。
利用三维电磁软件对由实施例中各参数构成的本发明进行实验，获得其色散特性和耦合阻抗，并和具有相同介质夹持杆2相对介电常数εr，相同介质夹持杆2厚度t2，相同介质夹持杆2宽度w2，相同金属半矩形环线宽w3，相同金属半矩形环厚度t3，相同的金属半矩形环横截面周长，相同金属连接线长度L，相同金属连接线宽度w3，相同金属连接线厚度t3，相同的周期长度p，以及相同的屏蔽筒横截面周长，相同的屏蔽筒厚度的现有技术半圆环螺旋线慢波结构相比较，结果如图4和图5所示。
从图4可以看出，在相同尺寸下，本发明具有与等价半圆环螺旋线慢波结构几乎完全一致的色散平坦度，相速度略高于半圆环螺旋线慢波结构，同时本发明具有更大的工作带宽。
从图5可以看出，在相同尺寸下，本发明的耦合阻抗在中高频段(行波管的工作频段)显著大于半圆环螺旋线慢波结构，其中，在中心频点50GHz处，半矩形环螺旋线的耦合阻抗为85欧姆，半圆环螺旋线的耦合阻抗为50欧姆，本发明比半圆环螺旋线慢波结构的耦合阻抗增大了70％。随着频率的提高，半矩形环螺旋线的耦合阻抗相对于半圆环螺旋线耦合阻抗的优势不断增大，即二者耦合阻抗的比值越来越大。因此，采用本发明的行波管在同等带宽条件下具有更大的增益和输出功率。
Claims (5)
1.一种半矩形环螺旋线慢波结构，包括屏蔽筒、介质夹持杆(2)、置于屏蔽筒内的慢波电路；其特征是：屏蔽筒与慢波电路的中心轴线重合，所述慢波电路为半矩形环螺旋线金属慢波电路(3)；
所述半矩形环螺旋线金属慢波电路(3)，包括若干布置于中心轴线两侧、凹口相对并交替错位、尺寸相同的金属半矩形环，前一个金属半矩形环的尾端与下一个相邻的错位金属半矩形环的前端通过金属连接线连接；
在中心频点50GHz处，半矩形环螺旋线的耦合阻抗为85欧姆。
2.根据权利要求1所述的一种半矩形环螺旋线慢波结构，其特征是：所述屏蔽筒为矩形屏蔽筒(1)。
3.根据权利要求1所述的一种半矩形环螺旋线慢波结构，其特征是：所述介质夹持杆(2)对称设置于屏蔽筒内壁和半矩形环螺旋线金属慢波电路(3)之间。
4.根据权利要求1所述的一种半矩形环螺旋线慢波结构，其特征是：相邻的错位金属半矩形环之间的金属连接线长度相同或逐渐加长或逐渐缩短或随机变化。
5.根据权利要求1所述的一种半矩形环螺旋线慢波结构，其特征是：所述半矩形环螺旋线金属慢波电路(3)的尺寸满足关系式：0<w3<p/2，0<L<p/2，p＝2w3+2L，a<c,b<d；L为金属连接线长度，w3为线宽；p为单个周期的金属半矩形环间的周期长度；a为金属半矩形环内腔长度；c为矩形屏蔽筒(1)内腔长度，d为内腔宽度；b为两相邻错位的金属半矩形环内腔宽度。
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